Медведев Е.М., Данилин И.М., Мельников С.Р., 2007 - Лазерная локация земли и леса. Учебное пособие

Таблица 25. Корреляционная матрица (R) таксационных и морфометрических

показателей лиственничного древостоя (Центральная Эвенкия)

Рис. 104. Парные линейные зависимости между морфометрическими показателями деревьев лиственницы, полученные по лазерно-локационным данным, и наземным измерениям на коор-

динатных пробных площадях: а) – H, Lкр., Dкр. f (D1.3); б) – Lкр., Dкр. f (H); в) – Lкр. f (Dкр.); г) – Sкр. f (D1.3), где H – высота дерева, м; Lкр. – длина кроны; Dкр. – диаметр кроны;

D1.3 – диаметр ствола на высоте 1.3 м от его основания; Sкр. – площадь кроны.

152

Рис. 105. Трехмерное поле распределения морфометрических параметров деревьев в лиственничнике, полученное в результате сопряженной регрессии лазерно-локационных и наземных данных: а) – D1.3 f (H, Dкр.), б) – D1.3 f (H, Lкр.), в) – Sкр. f (H, Dкр.), г) – Sкр. f (H, D1.3).

Таблица 26. Корреляционная структура связи (R) размеров и массы фракций

деревьев лиственницы (Центральная Эвенкия)

153

Приведенные выше зависимости имеют общий характер и основываются

на закономерности, выявленной немецким лесоводом Ф. Эйхорном при составлении таблиц хода роста сомкнутых пихтовых древостоев и гласящей, что: «…общая фитомасса есть функция только высоты древостоя без учета его воз-

раста и класса бонитета», т.е. «…одной определенной высоте для всех классов бонитета и возраста соответствует одна и та же общая фитомасса древостоя»

(Eichorn, 1902) (цитировано по В.А. Усольцеву, 1998, с. 405).

Данная закономерность была многократно подтверждена эмпирически, апробирована для древостоев других пород (сосна, ель, бук) и впоследствии была

интерпретирована как проявление закона аллометрии, согласно которому объем стволов (V) определяется как функция их высоты (H):

V = aHb,

где а – константа начального роста, b – аллометрическая константа (Усольцев, 1998).

В нашем примере в приведенную выше аллометрическую функцию определения объемов стволов и фитомассы деревьев через их высоту, как наибо-

лее точно определяемую по лазерно-локационным данным, дополнительно вводится диаметр стволов и крон деревьев. Диаметры крон с достаточно высокой точностью (±10–15 см) определяются при лазерной локации лесного полога, а диаметры стволов – посредством аллометрических функций, через высо-

ты стволов и диаметры крон. При этом, как было показано выше, детерминиро-

ванность определения объемов стволов, их фитомассы, а также массы структурных элементов крон деревьев по рассчитанным уравнениям находится в пределах 87–99% (R2 – 0.87–0.99, табл. 24), что приближается к наземным весовым методам определения фитомассы.

В программной оболочке Altexis измерения могут производиться как по

всему маршруту съемки («сплошной перечет»), так и выборочно – методом статистически достоверной репрезентативной выборки, на определенных (указанных) оператором участках маршрута съемки. При этом общий запас древостоя и его фитомасса могут быть определены в автоматическом режиме путем сум-

мированием показателей объемов стволов и фитомассы отдельных деревьев

(М = V1 + V2 +…Vn; P = P1 + P2 +…Pn), рассчитанных по уравнениям. Необходимое количество пробных площадей и модельных деревьев для

расчета регрессионных уравнений в каждом конкретном случае устанавливает-

ся, исходя из разнообразия представленных типов насаждений и варьирования

таксационных показателей в пределах элементарной учетной единицы (пробной площади, таксационного выдела, фации и пр.) в районе съемки.

Пробные площади закладываются по принципу репрезентативного пред-

ставительства типов насаждений, а модельные деревья отбираются по принци-

пу ступенчатого (по высоте, диаметрам стволов и диаметрам крон) представительства.

Эмпирически было установлено, что для расчета статистически достовер-

ных и эффективных аппроксимаций на маршруте съемки протяженностью 200 км в Средней Сибири достаточно 15–20 таксационных пробных площадей, на каждой из которых отбиралось и обмерялось по 10–15 модельных деревьев.

Для упрощенного определения запасов древесины в объемных и весовых показателях через средние значения диаметров крон и высот древостоев рассчитаны обобщенные уравнения, значения которых находили по результатам

154

замеров на лазерных профилограммах и цифровых аэроснимках 20 случайно

отобранных деревьев по маршруту съемки (табл. 27).

Таблица 27. Обобщенные коэффициенты регрессии морфометрических и

продукционных параметров древостоев лиственницы

Рис. 106. Зависимость между древесным запасом (M) и общей надземной фитомассой

(P) древостоев и насаждений пробных площадей маршрута лазерного профилирования в районе р. Бахта (Красноярский край).

155

Данная взаимосвязь по своим показателям и устойчивости близка к функ-

циональной (R2 = 0.994–0.995).

Проверка точности метода на таксационно-дешифровочных пробных площадях показала, что среднеквадратическая ошибка при определении запаса и фитомассы древостоев не превысила ±10%, что удовлетворяет точности дешифровочной таксации простых по составу древостоев применительно к III разря-

ду лесоустройства согласно действующей лесоустроительной инструкции (Инструкция, 1995).

В целом точность лазерных определений биометрических и таксационных показателей деревьев и древостоев с использованием аллометрических функций оказалась выше, чем при традиционных наземных лесоинвентаризацион-

ных работах (табл. 28).

Таблица 28. Объемы стволовой древесины и фитомасса (абсолютно сухая масса) лиственничных древостоев, фактические и вычисленные по

лазерно-локационным данным (Красноярский край)

156

Оценка параметров лесного покрова на канадском трансекте проводилась

методом регрессии с индексом листовой поверхности (LAI – Leaf Area Index), или листовым индексом, который понимается как показатель фотосинтезирующей биомассы, равный площади освещенных листьев, приходящейся на еди-

ницу поверхности почвы. Максимальная чистая продукция соответствует LAI, близкому к 4, т.е. когда площадь освещенных листьев в 4 раза больше площа-

ди, занятой растениями, тогда как максимум валовой продукции достигается при LAI, равном 8–10, уровне, характерном для лесов (Remote Sensing, 2003).

Индекс листовой поверхности определяется по данным наземных (на

пробных площадях) и бортовых измерений, с учетом параметров структуры и биоразнообразия насаждений бореальной зоны страны и позволяет получать

приемлемые по точности оценки изменения структуры лесной растительности и ее биомассы на достаточно больших площадях в широком географическом градиенте – от сухих прерий до границы притундровых бореальных лесов (Remote

Sensing, 2003, Wulder et al., 2004) (табл. 29, рис. 107, 108).

Таблица 29. Характеристика пробных площадей канадского лазерного трансекта

*Pb – Pinus banksiana, Pt – Populus tremuloides, Pg – Picea glauca, Pm – Picea mariana.

157

Вместе с тем нужно отметить, что метод определения древесного запаса и

фитомассы через индекс листовой поверхности и общую площадь растительности на лазерном трансекте значительно уступает по точности определения параметров методу регрессионных зависимостей при более детальной оценке

морфоструктуры лесного полога и биомассы на уровне отдельного древостоя или дерева, ввиду значительной генерализации получаемых данных (Данилин,

2003).

Результаты практической апробации метода лазерной локации в сочетании с материалами аэро- и космической съемки высокого разрешения свиде-

тельствуют о высокой перспективности его использования для целей анализа и моделирования структуры лесных насаждений средствами трехмерной компью-

терной графики, а также для лесоинвентаризации и оперативного экологического мониторинга.

Некоторые выводы по разделу

Структура, объемные показатели стволов, запас и фитомасса деревьев и

древостоев по лазерно-локационным данным («лазерным портретам» деревьев

идревостоев) определяются с высокой степенью достоверности и точности

средствами визуализации и трехмерной компьютерной графики и моделированием аллометрическими функциями на основе регрессионных связей с морфо-

метрическими показателями деревьев – высотой и диаметром стволов, диамет-

ром и вертикальной протяженностью крон.

При лазерном сканировании лесного покрова оценка запасов и фитомассы древостоев в каждом конкретном случае сводится к определению соотношений между объемами стволов и фитомассой по породам и их высотой и диаметра-

ми крон, которые, в свою очередь, составляют 87–99% объясненной изменчиво-

сти различных фракций надземной фитомассы (стволов деревьев, скелета крон

ихвои).

При включении в регрессионные модели высот и диаметров крон деревьев остается некоторая доля неучтенного варьирования, что характерно для высоко

сомкнутых насаждений, где диаметры стволов на «лазерных портретах» древо-

стоев читаются нечетко или неполностью. В данных случаях наиболее важную характеристику запаса и фитомассы древостоев – распределение стволов по толщине – рекомендуется аппроксимировать через распределение по диаметрам крон, которым характерна автокорреляция и высокая степень регрессион-

ной сопряженности.

При сравнении расчетных (лазерных) значений запасов и фитомассы дре-

востоев с соответствующими фактическими (определенными на пробных площадях весовым методом) варьирование оказалось невысокое. Лазерные дан-

ные находятся в пределах ±10% от фактических наземных определений. Разброс объясняется варьированием диаметров стволов в сомкнутых насаждениях, где происходит частичная «потеря» отраженных импульсов от крон деревь-

ев низких рангов и подчиненной части полога древостоев. Данная проблема устранима применением лазеров с большей тактовой частотой и количеством

импульсов в единицу времени (лазеры, обеспечивающие до 100 тыс. и более импульсов в секунду и наибольшую плотность точек сканирования, порядка 1

точки на 5–10 см, имеются в промышленности уже сегодня), что обеспечит максимально возможную проницаемость лазерного луча сквозь толщу крон, реги-

страцию возвращенных сигналов и достоверный, четкий лазерный портрет дре-

востоев со сложной вертикальной и горизонтальной структурой полога.

159

Применение методологии и технологии бортовой лазерной съемки, со-

вмещенной со спутниковой навигацией и геопозиционированием, а также с информацией, получаемой с воздушных и спутниковых цифровых снимков и интегрированных в геоинформационных системах для целей мониторинга и лесо-

инвентаризации, позволяет с высокой степенью точности проводить дистанционную таксацию лесов в режиме реального времени, при минимуме наземных

работ и значительной экономии времени и материальных средств. Экономическая эффективность метода обеспечивается принципиальным

повышением точности результатов измерений и возможности их повторимости

(проверки), не возвращаясь на объект, а также значительным снижением трудоемкости и сложности выполнения работ (как полевых, так и камеральных деши-

фровочных) за счет высокого уровня автоматизации обработки данных, получаемых в процессе лазерной съемки. Объем полевых работ при этом значительно сокращается и необходим лишь для калибровки результатов лазерного

сканирования, поддержки интерактивного дешифрирования и установления базовых закономерностей изучаемого объекта (табл. 30).

Таблица 30. Экономическая эффективность метода лазерной таксации леса по

укрупненным показателям (в расчете на 1 млн. га, III разряд лесоустройства)

Выполненные нами исследования по лазерной локации лесного покрова

обеспечивают основу для разработки методологии обработки, дешифрирования и эффективного использования трехмерных данных дистанционного зонди-

рования высокого и сверхвысокого разрешения в системе мониторинга лесов, касающихся закономерностей пространственного распределения структурных компонентов и биомассы лесных экосистем и в том числе динамики раститель-

ных горючих материалов. Ожидается, что дальнейшее развитие данной методологии позволит создавать достоверные и высокоточные лесные карты и базы данных различного тематического содержания, которые найдут применение в различных сферах использования, включая оперативный мониторинг природных экосистем, стратегическое и тактическое планирование лесо- и природо-

160